節能設計中輕質圍護結構隔熱問題探討

朱峰磊，厲盼盼，李紅，王夢林

（中國建筑科學研究院有限公司，北京100013）

1 圍護結構隔熱設計要求

外圍護結構的夏季隔熱，不僅需要考慮與室外空氣的熱交換，還需要考慮太陽輻射和室外溫度對圍護結構的影響。室外溫度呈周期性變化，不僅和氣象參數有關，還與圍護結構朝向和飾面材料有關。氣溫對各朝向的外墻和屋頂的影響相同，但是太陽輻射熱對各部分結構影響有所差異。

GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規范》（以下簡稱“熱工規范”）提出了新的隔熱評價方法，在給定邊界條件下分析圍護結構本身的隔熱性能。標準按照空調房間、自然通風房間給出了不同的限值要求。具體評價的基準條件是外墻的兩側分別給定空氣溫度和變化規律，外墻外表面為當地的夏季最熱月典型日的逐時室外綜合溫度，自然通風房間外墻內側空氣溫度平均值比室外空氣溫度平均值高1.5℃、波幅小1.5℃；空調房間外墻內側空氣溫度為26℃。

由于屋面受到的太陽輻射比外墻更大，并且屋面內表面換熱系數小于外墻，因此，屋面內表面溫度比外墻更難以控制。在氣候相同的條件下，屋面內表面平均輻射溫度大于外墻，對室內熱環境影響更大，因此，屋面的限值要求比外墻提高了0.5℃。

2 輕質圍護結構隔熱分析

輕質材料通常具有良好的絕熱性能，但是本身蓄熱特性和熱穩定性較差，溫度波幅衰減快，對房間熱穩定性不利。因此，目前國家和地方節能設計標準要求對輕質結構的夏季隔熱性能進行分析和判定。

本文采用基于Kvalue隔熱計算內核的節能軟件，選取重慶和南京2座典型城市，對金屬夾芯保溫體系屋頂和外墻內表面最高溫度進行分析。邊界條件設置如下：

1）外表面：第三類邊界條件，室外空氣逐時溫度和各朝向太陽輻射按照熱工規范提供的重慶、南京夏季最熱月典型日氣象參數取值，對流換熱系數為19.0W/（m2·K）；

2）內表面：第三類邊界條件，室內空氣溫度按照熱工規范第3.3.2條的規定取，對流換熱系數為8.7W/（m2·K）；

3）其他邊界：第二類邊界條件，熱流密度為0。

計算模型及參數：

1）計算模型選取外墻、屋面的平壁部分；

2）金屬夾芯保溫體系，由于金屬本身熱阻極小，分析時可忽略，輕質結構夾芯保溫材料選用巖棉，導熱系數為0.045W/（m·K），密度為 140kg/m3，蓄熱系數為 0.749W/(m2·K)[1]；

3）太陽輻射吸收系數為0.7。

3 輕質結構隔熱措施

3.1 隔熱反射涂料及淺色飾面

隔熱反射涂料的特點是高反射率，可以有效反射可見光和紅外波長范圍內的太陽輻射，使太陽輻射的熱量不在圍護結構表面累積升溫，反射涂料結合高效圍護結構保溫，可以有效改善室內熱環境，達到良好的隔熱效果。

在上述輕質結構隔熱計算基礎上調整邊界條件，外表面太陽輻射吸收系數由0.7修改為0.3并進行分析，計算結果如表1所示。

表1 反射涂料及淺色飾面對隔熱計算結果的影響

3.2 采用復合構造

輕質材料一般具有良好的絕熱性能，重質材料通常具有良好的蓄熱性能和熱穩定性，2種材料進行復合可以有效提高圍護結構對室外綜合溫度強擾動的衰減。通常采用復合構造時，外側宜采用輕質結構，內側宜采用重質結構。

調整計算模型圍護結構，在保溫材料內表面增加15mm石膏板進行復合，提高圍護結構的蓄熱能力。重慶自然通風房間可以降低保溫約60mm，南京約降低30mm；重慶和南京空調房間保溫厚度約降低5mm。

3.3 通風屋頂和通風外墻

采用通風墻體或空氣間層進行隔熱的方法，一方面可以通過通風腔體阻擋陽光照射；另一方面可以利用風壓熱壓作用帶走空氣間層的熱量，從而降低外界太陽輻射引起的溫差，減少室外熱環境對圍護結構內表面的影響。

調整計算模型圍護結構構造，在保溫材料內側增加20mm空氣間層，熱阻0.56m2·K/W。重慶自然通風房間可以減少保溫層厚度約30mm，南京約減少10mm；重慶和南京空調房間保溫厚度約減少15mm。

3.4 其他隔熱措施

除上述隔熱措施，還可以考慮如屋頂綠化、垂直綠化、采用相變蓄熱材料、雙層呼吸幕墻、蓄水屋面等措施降低夏季內表面最高溫度。

研究表明，屋頂和垂直綠化具有顯著的隔熱效果，可以凈化空氣品質，同時可以緩解城市熱島效應，改善熱環境。但需要注意種植屋面的阻根和防水處理以及后期的維護。

雙層幕墻通常由內外2層玻璃組成，中間為空氣間層，夏季可以通過外界太陽輻射加熱雙層玻璃幕墻間的空氣，利用煙囪效應引起空氣流動，降低玻璃幕墻表面溫度，防止夏季過熱的情況。

蓄水屋面在水蒸發時可以帶著大量的熱量，減少通過屋頂的傳熱量并降低屋面的內表面溫度。但是蓄水屋面設計時需要注意屋頂的防水及屋面荷載，同時需要經常換水。

4 結語

輕質圍護結構由于本身的絕熱能力較強，有很高的熱阻，但是其熱穩定性和蓄熱能力較差，因此，需要增加隔熱措施，才能滿足夏季隔熱設計的要求。輕質圍護結構可以采用如淺色飾面、隔熱涂料、空氣間層等，通過影響室外空氣綜合溫度和波幅，降低構件內表面最高溫度；或通過提高圍護結構的蓄熱能力，采用復合構造，改變圍護結構總衰減程度來達到室內熱穩定的要求。